HTN-LCD 工作模式研究
李新贝，张方辉
摘要：研究液晶显示器的工作模式对于液晶显示器的设计和优化具有重要意义。本文利用
Jones 矩阵建立液晶显示器的理论模型, 得出广义扭曲向列液晶显示器的透过率表达式;以
扭曲角为 120 度的 HTN-LCD 为例,具体研究了常白模式和常黑模式下的透过率特性, 计算了
工艺参数光程差 dn ⋅∆ 的第一、二极小值, 实验验证了理论的正确性。
关 键 词：VISUAL LCD;工作模式;理论模型;透过率特性;光程差
1.引言
随着液晶显示技术的发展，人们已经开发出多种显示模式如TN，FTN，STN，TFT等，但
TN-LCD（即扭曲向列型液晶显示）具有视角差，电压驱动行数少等缺点；STN-LCD（超扭曲
向列液晶显示）与TN-LCD相比，具有成本高，工艺复杂等缺点。因此，在一些特殊的条件下
两者都无法得到应用或不能得到最佳应用。而HTN-LCD（高扭曲向列液晶显示）弥补了二者
的不足[1]，HTN-LCD较TN-LCD的光电陡度得到改善,具有视角均匀性好，电压驱动行数多的优
点,与STN-LCD相比成本低，工艺简单, 因而使其应用得到充分满足。
研究 HTN-LCD 的工作模式对于液晶显示器的设计和优化具有重要意义,为了更好地理解
液晶显示器件的工作原理,本文从 Jones 矩阵出发建立液晶显示器的理论模型,详细推导了
HTN-LCD 的主要工作参数。
理论模型
假设液晶由N层组成，每一层都
可以看作是由波片和偏振器组成的
“单元”，波片的作用是使o光和e光
产生附加相位，旋转器的作用是使波
片主轴在XY坐标系内旋转。整个液晶
层可以作为由许多这种单元组成的
双折射光学系统[2]来处理，采用琼斯
矩阵法求解过程可大大减化。
设 X ，Y 轴在液晶盒基板所在
X图1 液晶显示器各部分的方向关系 平面内，前基板处液晶分子取向与
- 1 -
轴重合，Z 轴沿着液晶层厚度方向，起偏器方向与 X 轴之间夹角为 ，检偏器方向与fP X 轴
夹角为 ，整个液晶层的扭曲角为bP TΦ 。为了计算光在各向异性分层介质中的传播，人们
提出了一些计算方法。比较有效的方法有 2×2矩阵方法，也称Jones矩阵方法。依次将组成
系统的所有波片和偏振器的琼斯矩阵相乘就可得到整个系统的琼斯矩阵。把这种方法用于
HTN-LCD就可以得到这种显示器的琼斯矩阵表达式 ，由此式即可求解得出HTN-LCD的传输特
性方程[3]。
若旋转角度θ 以顺时针为正,则上述旋光角为 θ− ,旋光器的 Jones 矩阵 为： θR
θθ
θθθ(−
cossin
sincos
)
−=R 而 θθ
θθθ
cossin
sincos
)( −=R （1）
假定某器件 M 的光轴方位不是零。而是相对 X 轴旋转了角度θ ，这时器件的 Jones 矩
阵用 表示。偏振光通过这种器件 的过程，等效于以下过程：方位旋转θM θM θ− 的偏振光
通过方位为 0 的器件 M，然后使所通过的偏振光再旋转θ 角而回到应有的方位。这种关系可
以用公式表示如下：
)()( 0 θθθ −= RMRM （2）
由单轴波片和旋转器组成的薄层液晶单元的琼斯矩阵 J ′
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
−=
−=′
− θθ
θθ
θθ
θθ
θθ
cossin
sincos
0
0
cossin
sincos
)()(
2
2
ui
ui
u
e
e
RJRJ
（3）
整个液晶层的系统矩阵（旋转堆垛系统的矩阵）是各个单元琼斯矩阵之积：
′′′= − 11 JJJM nn L （4）
如果盒内液晶分子的倾角分布可由平均倾角θ 的均匀分布来取代，则式（4）的解将大
为简化。由此求得非激活状态下广义扭曲向列液晶显示模式的系统矩阵：
（5） ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−= f
f
bb P
P
EF
FE
PPM
sin
cos
)sin(cos **
式中，E，F 分别为：
- 2 -
)1sin(cos
1
)1cos(cos)1sin(sin
1
1
2
2
22
2
u
u
ui
uu
u
E
TT
TTTT
+ΦΦ
+
+
+ΦΦ++ΦΦ+=
)1sin(sin
1
)1cos(sin)1sin(cos
1
1
2
2
22
2
u
u
ui
uu
u
F
TT
TTTT
+ΦΦ
+
+
+ΦΦ−+ΦΦ+=
** ,FE 为 的共轭函数； FE, ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −
+Φ
= 022 sin1
n
w
ndu e
T θλ
π ，其中 和 分别为
e 光和 o 光在液晶中的折射率，
en on
θ 为平均角，等于 θθ dz
d
d∫0 )(1 。由此，得出广义扭曲向列
液晶显示器的透过率为：
2
**
2
sin
cos
)sin(cos ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
−== f
f
bb P
P
EF
FE
PPMT （6）
PfCosPCosuSin
u
PPSinuSin
u
PfSinPSinuSinPPCosT
bTT
fbTT
bTTfbT
2)(2)1(
1
1
)(2)12(
12
1
2)(2)1()(
22
2
2
2
222
−Φ+Φ+−
+−Φ+Φ
+
+
−Φ+Φ++−Φ=
（7）
由于旋光作用，对于正性液晶而言：
当
2
),(,
2
)( 21
ππππ =Θ<Φ+=Θ+Φ ，kk TT 为整数 时，器件显示为常白型；
当 ππππ kkk TT =Θ<Φ+=Θ+Φ 21 ),(,2 为整数，）（ 时，器件显示为常黑型；
其中 分别为液晶盒前后基板摩擦方向与21 ,ΘΘ X 轴之间的夹角。
对 HTN-LCD 工作模式：
（1）在常白方式下， PfkkT −+=Θ−+=Φ ππππ 22 1 ；
；1Θ=Pf 22
π=Θ=Pb
（2）在常黑方式下， PfkkT −+=Θ−+=Φ ππππ 22 1 ；
- 3 -
；1Θ=Pf πkPb =Θ= 2
下面以扭曲角为 120˚的 HTN-LCD 为例，最大预倾角 sθ 很小， ，022 ≈sSinw θ 3
2π=ΦT ，
从而推得： ndnndu oe ∆=−= λλ 2
3)(
2
3
（1）常白方式下，
3
2π=ΦT ， 6
ππ −= kPf ，
2
π=Pb
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ++
+−= 222
2
1
3
2
)1(4
341 uSin
u
uT π (8)
（2）常黑方式下，
3
2π=ΦT ， 6
ππ −= kPf ， πkPb =
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ++
+= 222
2
1
3
2
)1(4
34 uSin
u
uT π (9)
式(8)、(9)就是通过 Jones 矩阵求出的 120˚扭曲 HTN-LCD 的常白方式和常黑方式的透过
率公式。对 120˚扭曲 HTN-LCD 的非激活态光学传输特性是 u 的函数，透过率呈现出一系列极
大值和极小值 ，而且这些极值伴随着 u 的增大而逐渐减小。
对应于 01
3
2 22 =⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ + uSin π ，
即：
L
L
2
77,
2
32,
2
5
)3,2,1(,
2
31,1
3
2 22
=
==+=+
u
kkuku ππ
时，
在理论上（偏振片和扭曲结构为理想情况），常白方式的透过率为 1，输出则最亮；相
反，常白方式的透过率则为 0，输出则最黑。u 值不易选的过大，否则，导致响应速度和视
角变差，通常对 mµλ = （视角最灵敏的光），u 取
2
32,
2
5 即可。
对 120˚扭曲 HTN 工作模式，
3
2π=ΦT ， sθ 很小， ndnndu oe ∆=−= λλ 2
3)(
2
3 ，把（9）
式变形可以得到：
- 4 -
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∆⋅+
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∆⋅+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∆⋅+
=
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∆+
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∆+
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∆+
=
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ++
+=
2
2
2
2
2
2
2
2
22
2
2
9
49
9
4
4
274
2
31
3
2
2
314
2
334
1
3
2
)1(4
34
λ
λπλ
λ
π
λ
λ
π
nd
ndSinnd
ndSin
nd
nd
uSin
u
uT
（10）
在 L3,2,1,
9
4 2
2
=ΓΓ=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∆⋅+ λ
nd 成立时,(10)式取极小值，（8）式取极大值，根据
上式可求出扭曲角为 120˚的 HTN-LCD 的 λdn ⋅∆ 的值。
当取可见光的波长为 mµ , 1=Γ 和 2=Γ 分别代入上式，得：
=⋅∆ λdn ； =⋅∆ λdn （11）
从而，推得： ；=⋅∆ dn =⋅∆ dn
n∆ 是选择液晶材料的重要参量，它的大小对液晶盒的光谱特性有重大影响； 值
只是根据亮度确定的，但在显示时，不仅要考虑满足彩色显示的光谱特性。在确定 之
后，需从光谱特性来选择 和 d，既使二者之积满足亮度要求，又使各自值满足旋光色散
最 小 的 要 求 。 根 据 以 上 原 则 ， 利 用 第 二 极 小 值
dn ⋅∆
dn ⋅∆
n∆
=⋅∆ dn 计 算 得 到 了
ZOC1007LA,ZOC1008LA,SH1115 及 CP9001 三种液晶材料的理论盒厚，结果如表 1 所示。
表 1 液晶材料 ZOC1007LA，ZOC1008LA，SH1115 及 CP9001 参数
ZOC1007LA CP9001 ZOC1008LA SH1115
TN-1(℃)
V10
V50
V50/ V10 _
Δn
n0
η20 _ _
P0(μm) 101 129 108 _
d(μm)
当液晶材料的双折射比较小时，其视角得到改善；理论盒厚较大可以减少漏光，提高对
- 5 -
比度，这是生产工艺上所希望的。但随着双折射的减小和盒厚的增加，液晶盒的驱动电压和
时间常数也将增高和变大[4]。
3.结论
从 Jones 矩阵出发，建立了液晶显示器的理论模型，推导出液晶显示器的透过率表达
式，计算了重要的生产工艺参数 dn ⋅∆ 的值。通过实验验证了理论的正确性；利用本文的理
论计算结果，可以进行 HTN-LCD 的工业生产。
参考文献
[1] 李永忠，温德波.影响 LCD 显示质量的因素[J].液晶与显示，2003，18（1）：49-50.
[2] 姚启钧.光学教程[M]. 北京：高等教育出版社，-372.
[3] 黄锡珉，黄辉光，李之榕.液晶器件手册[M].北京：航空工业出版社，-369.
[4] 梁兆颜，张金宝，闫石等.利用 第二极小研究 HTN-LCD 的特性[J].液晶与显示，1998，13（3）： dn ⋅∆
178-183.
Research in HTN-LCD’s working pattern
LI Xin-bei, ZHANG Fang-hui
(Shaanxi University of Science and Technology, Xianyang,
Abstract
The research in the work pattern of liquid crystal display is very significant for the design and
optimization of liquid crystal display. This text utilizes Jones matrix to set up the theoretical model of
liquid crystal display and work out the expression of light transmission rate of twisted nematic liquid
crystal display. Taking the 120˚ twisted HTN-LCD for example, the transmissions about white mode
and black mode are studied by theoretical calculation. According to the standard of craft parameter, the
best thickness of liquid crystal cell is calculated from the second minimum of optical distant difference.
Experiments have proved the exactness of this theory.
Key words: VISUAL LCD; working pattern; theoretical model; light transmission rate; optical distant
difference
作者简介：李新贝（1981-），男，山东烟台人，硕士研究生，从事液晶显示器件理论研究。
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Research in HTN-LCD’s working pattern
